Desenvolvimento e teste de um sistema fotovoltaico com rastreamento do ponto de máxima potência para alimentação de boias de deriva oceânica

Abstract

Boias meteoceanográficas são equipamentos utilizados para medir ondas nos oceanos. Esses equipamentos são desenvolvidos para pernacerem longos intervalos de tempo na água, muitas vezes longe da costa, e sem intervenção humana. Este trabalho desenvolveu um sistema de gerenciamento energético para boias oceânicas autônomas, com foco na otimização da extração de energia fotovoltaica em condições ambientais adversas. O estudo propôs um algoritmo MPPT (Maximum Power Point Tracking) baseado em tensão constante com passo variável (TCPV), testado para operar com módulos fotovoltaicos em orientações assimétricas. A metodologia combinou simulações computacionais com testes práticos utilizando emuladores fotovoltaicos, avaliando o desempenho em diferentes cenários de irradiação e temperatura. Os resultados demonstraram que a arquitetura centralizada (Design 1) apresentou melhor custo-benefício em comparação com a solução distribuída (Design 2), mantendo eficiência satisfatória mesmo com perdas nos diodos de bloqueio. O banco de baterias dimensionado (17 Ah) atendeu ao requisito crítico de 72 horas de autonomia sem recarga solar, destacando-se as baterias de lítio-ferro-fosfato (LFP) por sua estabilidade térmica e segurança operacional. Entretanto, os módulos fotovoltaicos foram estimados como insuficientes para manter o sistema funcionando pelo período estipulado. O sistema customizado mostrou vantagens em custo e flexibilidade em relação a soluções comerciais, embora com menor precisão no rastreamento do ponto de máxima potência. Como contribuição principal, o trabalho desenvolveu uma metodologia integrada de projeto para sistemas fotovoltaicos em ambientes marinhos, validando a viabilidade técnica e econômica de soluções autônomas para monitoramento oceânico. Os resultados sugerem como direções futuras para melhoria no projeto e na precisão dos testes.

Metoceanographic buoys are devices used to measure waves in the ocean. These instruments are designed to remain in the water for long periods of time, often far from the coast and without human intervention. This study developed an energy management system for autonomous oceanic buoys, focusing on optimizing photovoltaic energy extraction under adverse environmental conditions. The research proposed a constant voltage with variable step (TCPV) Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm, specifically tested for operation with photovoltaic modules in asymmetric orientations. The methodology combined computational simulations with practical tests using photovoltaic emulators, evaluating performance under different irradiation and temperature scenarios. Results demonstrated that the centralized architecture (Design 1) showed better cost-benefit ratio compared to the distributed solution (Design 2), maintaining satisfactory efficiency despite blocking diode losses. The designed battery bank (17 Ah) met the critical 72-hour autonomy requirement without solar recharge, with lithium iron phosphate (LFP) batteries standing out for their thermal stability and safety. However, the photovoltaic modules were estimated to be insufficient for maintaining system operation throughout the stipulated period. The customized system showed advantages in cost and flexibility compared to commercial solutions, although with lower precision in maximum power point tracking. As a main contribution, this work developed an integrated design methodology for photovoltaic systems in marine environments, validating the technical and economic feasibility of autonomous solutions for ocean monitoring. The results suggest future directions for improving both system design and testing precision.